亜鉛 (Zn, Z = 30)：保護と生命に不可欠な金属

亜鉛の発見の歴史

金属亜鉛は、公式に独立した元素として認識される前に、すでに使用されていました。 銅と亜鉛の合金（真鍮）は、古代から作られていましたが、職人は特定の金属を扱っているとは理解していませんでした。 インドでは、純粋な金属亜鉛の生産が12世紀から確認されており、特にラジャスタン地方では、精密な蒸留プロセスが使用されていました。 ヨーロッパでは、ドイツの冶金学者Andreas Sigismund Marggraf（1709-1782）が、1746年に炭酸亜鉛（カラミン）を炭素と加熱して金属を単離することに成功し、亜鉛の科学的発見者として一般的に認められています。 亜鉛という名前は、ドイツ語のZinke（先端、歯）に由来し、亜鉛結晶の尖った外観を指すか、ペルシア語のsing（石）に由来すると考えられています。

構造と基本的な性質

亜鉛（記号Zn、原子番号30）は、周期表の12族に属する遷移金属です。 その原子は30個の陽子、通常34個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{64}\mathrm{Zn}\)）、および電子配置 [Ar] 3d¹⁰ 4s² の30個の電子を持ちます。
室温では、亜鉛は青みがかった白色の光沢ある固体金属で、中程度の密度（密度≈7.14 g/cm³）です。 室温では比較的脆いですが、100〜150 °Cでは展性と延性を持ち、圧延や成形が可能になります。 亜鉛は、表面に酸化亜鉛と炭酸亜鉛の保護層を形成するため、優れた耐食性を持ちます。 亜鉛の融点（液体状態）：692.68 K（419.53 °C）。 亜鉛の沸点（気体状態）：1,180 K（907 °C）。

亜鉛の同位体表

亜鉛の電子配置と電子殻

N.B.：
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか （新しいウィンドウ）。

亜鉛は30個の電子を4つの電子殻に持っています。その完全な電子配置は：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s²、 または簡略化すると：[Ar] 3d¹⁰ 4s²。 この配置はK(2) L(8) M(18) N(2)とも表記できます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含む。この内殻は完全で非常に安定している。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子を含む。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成している。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d¹⁰に18個の電子を含む。この殻のすべての軌道が完全であるため、亜鉛は電子的に非常に安定している。
N殻 (n=4)：4s軌道に2個の電子を含む。これらの2個の電子が亜鉛の価電子である。

価電子と酸化状態

最外殻の4s²にある2個の電子が亜鉛の価電子です。この配置が亜鉛の化学的性質を説明します：
亜鉛は容易に2個の4s電子を失い、Zn²⁺イオン（酸化状態+2）を形成します。これは亜鉛のほぼ唯一の酸化状態です。
結果として生じる[Ar] 3d¹⁰配置は、3d軌道が完全に満たされているため特に安定しており、亜鉛がほとんど常に+2の酸化状態の化合物を形成する理由を説明します。
+1の酸化状態は希少な有機金属化合物に存在しますが、+2の状態が亜鉛の化学を支配します。

亜鉛の電子配置は、完全な3d軌道と2個の4s電子を持ち、遷移金属と典型金属の境界に位置します。 一部の化学者は、亜鉛を真の遷移金属とは見なしていません。なぜなら、亜鉛のd軌道はすべての一般的な酸化状態で完全に満たされているからです。 この安定した配置が、亜鉛化合物が一般的に無色（典型的な遷移金属とは異なる）で反磁性である理由を説明します。

化学的反応性

亜鉛は中程度の反応性を持つ金属です。室温では、亜鉛の表面に酸化亜鉛（ZnO）の薄い層が速やかに形成され、さらなる酸化から保護します。 この保護層により、亜鉛は耐食性を持ち、鉄鋼の亜鉛メッキに利用されます。 亜鉛は希酸と反応し、水素ガスを発生させ亜鉛塩を形成します：Zn + 2H⁺ → Zn²⁺ + H₂。 亜鉛は両性であり、強塩基と反応して亜鉛酸塩を形成します：Zn + 2OH⁻ + 2H₂O → [Zn(OH)₄]²⁻ + H₂。 高温では、亜鉛は空気中で明るい青白い炎を上げて燃え、酸化亜鉛を形成します。 亜鉛はハロゲン、硫黄、および多くの非金属と反応し、特に加熱時に反応します。

亜鉛の産業および技術的応用

• 鉄鋼の亜鉛メッキ（世界生産の約50％を占める主要な用途）；
• 真鍮（Cu-Zn）などの合金として、水栓、錠前、楽器に使用；
• ザマック合金（Zn-Al-Mg-Cu）として、自動車部品や電子部品のダイカストに使用；
• 乾電池（マンガン電池、アルカリ電池）の製造；
• 300以上の酵素と生物学的プロセスに関与する必須の栄養補助食品；
• 製薬業界での皮膚クリームや軟膏（酸化亜鉛）；
• 屋根、雨どい、耐候性のある建築ファサード；
• ゴム工業での加硫剤；
• 防食塗料やコーティングの製造；
• 化粧品や日焼け止め（酸化亜鉛をUVフィルターとして使用）；
• さまざまな有機化学合成の触媒；
• 農業での肥料や家畜の飼料添加物；
• 浸水した金属構造物を保護する犠牲アノード；
• セラミック工業やガラス製造；
• 歯科合金や一時的な医療用義歯。

天体物理学と宇宙論における役割

亜鉛は、大質量星でのさまざまな核合成プロセスによって合成されます。 主に、超新星爆発時のケイ素の爆発的燃焼、および漸近巨星分枝（AGB）星での遅い中性子捕獲プロセス（sプロセス）によって形成されます。 亜鉛の5つの安定同位体（\(\,^{64}\mathrm{Zn}\), \(\,^{66}\mathrm{Zn}\), \(\,^{67}\mathrm{Zn}\), \(\,^{68}\mathrm{Zn}\), \(\,^{70}\mathrm{Zn}\)）は、これらのメカニズムによって生成され、カタストロフィックなイベント時に星間物質中に拡散します。

金属に乏しい古い星における亜鉛の存在量は、天文学者にとって特に興味深いです。 亜鉛/鉄比 ([Zn/Fe]) は、初期宇宙での核合成条件の指標として使用されます。亜鉛と鉄は異なるプロセスで生成されるためです。 非常に古い星は、鉄に対する亜鉛の相対的な濃縮を示すことが多く、最初の超新星が現在の星の爆発とは異なる特性を持っていたことを示唆しています。 遠方のクエーサーのスペクトル中のイオン化亜鉛（Zn II）の吸収線は、銀河間ガス雲の化学組成と若い宇宙の金属濃縮を研究するために使用されます。

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亜鉛は地殻中に約0.0078％の質量濃度で存在し、24番目に豊富な元素です。 主に閃亜鉛鉱（ZnS）、菱亜鉛鉱（ZnCO₃）、異極鉱（Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O）、紅亜鉛鉱（ZnO）などの鉱石中に存在します。 天然亜鉛（純粋な金属形態）は自然界で極めて稀です。 亜鉛の抽出は、主に硫化鉱石の焙焼と還元（乾式冶金プロセス）または浸出と電解（湿式冶金プロセス）によって行われます。 亜鉛は完全にリサイクル可能で、性質の損失なく、世界生産の約30％がリサイクルによって供給され、主に亜鉛メッキ鋼や真鍮合金の回収から得られます。